[初识行列式]行列式的计算

前一章整理了行列式的基本定义,接下来我们可以进行列式的计算.

文章目录

      • 1. 消零化基本型
      • 2. 爪形和异爪形行列式
      • 3. 拉普拉斯展开式
      • 4. 范德蒙行列式
      • 5. 数学归纳法和递推法

1. 消零化基本型

  • 适用条件:
    • 某行(列)已有足够多的0元素
    • 阶数不高
  1. 例题1. 求n阶行列式 ∣ a b 0 . . . 0 0 0 a b . . . 0 0 0 0 a . . . 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 0 0 . . . . a b b 0 0 . . . . 0 a ∣ n ∗ n = ? \begin{vmatrix} a & b &0 &...&0&0 \\ 0 & a &b&...&0&0\\ 0&0&a&...&0&0\\ ...&....&....&...&...&...\\ 0&0&0&....&a&b\\ b&0&0&....&0&a \end{vmatrix}_{n*n}=? a00...0bba0....000ba....00....................000...a0000...bann=?
    解:按照第一列展开,有:
    D n = ∣ a b 0 . . . 0 0 0 a b . . . 0 0 0 0 a . . . 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 0 0 . . . . a b b 0 0 . . . . 0 a ∣ = a ∣ a b . . . 0 0 0 a . . . 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 0 . . . . a b 0 0 . . . . 0 a ∣ + ( − 1 ) n + 1 b ∣ b 0 . . . 0 0 a b . . . 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 0 . . . . b 0 0 0 . . . . a b ∣ = a n + ( − 1 ) n + 1 b n D_n=\begin{vmatrix} a & b &0 &...&0&0 \\ 0 & a &b&...&0&0\\ 0&0&a&...&0&0\\ ...&....&....&...&...&...\\ 0&0&0&....&a&b\\ b&0&0&....&0&a \end{vmatrix}=a\begin{vmatrix} a &b&...&0&0\\ 0&a&...&0&0\\ ....&....&...&...&...\\ 0&0&....&a&b\\ 0&0&....&0&a \end{vmatrix}\\+(-1)^{n+1}b\begin{vmatrix} b &0&...&0&0\\ a&b&...&0&0\\ ....&....&...&...&...\\ 0&0&....&b&0\\ 0&0&....&a&b \end{vmatrix}\\=a^n+(-1)^{n+1}b^n Dn=a00...0bba0....000ba....00....................000...a0000...ba=aa0....00ba....00.................00...a000...ba+(1)n+1bba....000b....00.................00...ba00...0b=an+(1)n+1bn

2. 爪形和异爪形行列式

  • 爪形行列式:
    • 斜爪消平爪
  • 异爪形行列式
    • n<=4时,直接展开
    • n>=4时,用递推法
  1. 例题2.异爪形行列式:求 ∣ λ − 1 0 0 0 λ − 1 0 0 0 λ − 1 4 3 2 λ + 1 ∣ = ? \begin{vmatrix} \lambda&-1&0&0\\ 0&\lambda&-1&0\\ 0&0&\lambda&-1\\ 4&3&2&\lambda+1 \end{vmatrix}=? λ0041λ0301λ2001λ+1=?
    解:直接按照第四行展开有:
    D n = ∣ λ − 1 0 0 0 λ − 1 0 0 0 λ − 1 4 3 2 λ + 1 ∣ = 4 ∗ ( − 1 ) 1 + 4 ∗ ∣ − 1 0 0 λ − 1 0 0 λ − 1 ∣ + 3 ∗ ( − 1 ) 2 + 4 ∣ λ 0 0 0 − 1 0 0 λ − 1 ∣ + 2 ∗ ( − 1 ) 3 + 4 ∣ λ − 1 0 0 λ 0 0 0 − 1 ∣ + ( λ + 1 ) ( − 1 ) 4 + 4 ∣ λ − 1 0 0 λ − 1 0 0 λ ∣ = 4 + 3 λ + 2 λ 2 + λ 3 + λ 4 D_n=\begin{vmatrix} \lambda&-1&0&0\\ 0&\lambda&-1&0\\ 0&0&\lambda&-1\\ 4&3&2&\lambda+1 \end{vmatrix}=4*(-1)^{1+4}*\begin{vmatrix} -1&0&0\\ \lambda&-1&0\\ 0&\lambda&-1\\ \end{vmatrix}+3*(-1)^{2+4}\begin{vmatrix} \lambda&0&0\\ 0&-1&0\\ 0&\lambda&-1\\ \end{vmatrix}\\+2*(-1)^{3+4}\begin{vmatrix} \lambda&-1&0\\ 0&\lambda&0\\ 0&0&-1\\ \end{vmatrix}+(\lambda+1)(-1)^{4+4}\begin{vmatrix} \lambda&-1&0\\ 0&\lambda&-1\\ 0&0&\lambda\\ \end{vmatrix}\\=4+3\lambda+2\lambda^2+\lambda^3+\lambda^4 Dn=λ0041λ0301λ2001λ+1=4(1)1+41λ001λ001+3(1)2+4λ0001λ001+2(1)3+4λ001λ0001+(λ+1)(1)4+4λ001λ001λ=4+3λ+2λ2+λ3+λ4
  2. 例题3.爪形行列式:计算行列式 ∣ 1 1 1 1 1 2 0 0 1 0 3 0 1 0 0 4 ∣ = ? \begin{vmatrix} 1&1&1&1\\ 1&2&0&0\\ 1&0&3&0\\ 1&0&0&4\\ \end{vmatrix}=? 1111120010301004=?
    解:用斜爪消平爪: D n = ∣ 1 1 1 1 1 2 0 0 1 0 3 0 1 0 0 4 ∣ = 2 ∗ 3 ∗ 4 ∣ 1 − 1 2 − 1 3 − 1 4 0 0 0 1 2 1 0 0 1 3 0 1 0 1 4 0 0 1 ∣ = − 2 D_n=\begin{vmatrix} 1&1&1&1\\ 1&2&0&0\\ 1&0&3&0\\ 1&0&0&4\\ \end{vmatrix}=2*3*4\begin{vmatrix} 1-\frac{1}{2}-\frac{1}{3}-\frac{1}{4}&0&0&0\\ \frac{1}{2}&1&0&0\\ \frac{1}{3}&0&1&0\\ \frac{1}{4}&0&0&1\\ \end{vmatrix}=-2 Dn=1111120010301004=2341213141213141010000100001=2

3. 拉普拉斯展开式

  • 直接用定理:
    设A为m阶矩阵,B为n阶矩阵,有以下定理:
    ∣ A O O B ∣ = ∣ A C O B ∣ = ∣ A O C B ∣ = ∣ A ∣ ∣ B ∣ \begin{vmatrix} A&O\\ O&B \end{vmatrix}=\begin{vmatrix} A&C\\ O&B \end{vmatrix}=\begin{vmatrix} A&O\\ C&B \end{vmatrix}=|A||B| AOOB=AOCB=ACOB=AB
    ∣ O A B O ∣ = ∣ C A B O ∣ = ∣ O A B C ∣ = ( − 1 ) m n ∣ A ∣ ∣ B ∣ \begin{vmatrix} O&A\\ B&O \end{vmatrix}=\begin{vmatrix} C&A\\ B&O \end{vmatrix}=\begin{vmatrix} O&A\\ B&C \end{vmatrix}=(-1)^{mn}|A||B| OBAO=CBAO=OBAC=(1)mnAB
  1. 例题4:计算行列式 ∣ a 1 0 0 b 1 0 a 2 b 2 0 0 b 3 a 3 0 b 4 0 0 a 4 ∣ \begin{vmatrix} a_1&0&0&b_1\\ 0&a_2&b_2&0\\ 0&b_3&a_3&0\\ b_4&0&0&a_4 \end{vmatrix} a100b40a2b300b2a30b100a4
    解:先将第二行和第四行互换,再将第二列和第四列互换,互换两次符号不变 D n = ∣ a 1 0 0 b 1 0 a 2 b 2 0 0 b 3 a 3 0 b 4 0 0 a 4 ∣ = ∣ a 1 b 1 0 0 b 4 a 4 0 0 0 0 a 3 b 3 0 0 b 2 a 2 ∣ = ( a 1 a 4 − b 1 b 4 ) ( a 3 a 2 − b 2 b 3 ) D_n=\begin{vmatrix} a_1&0&0&b_1\\ 0&a_2&b_2&0\\ 0&b_3&a_3&0\\ b_4&0&0&a_4 \end{vmatrix}=\begin{vmatrix} a_1&b_1&0&0\\ b_4&a_4&0&0\\ 0&0&a_3&b_3\\ 0&0&b_2&a_2\\ \end{vmatrix}=(a_1a_4-b_1b_4)(a_3a_2-b_2b_3) Dn=a100b40a2b300b2a30b100a4=a1b400b1a40000a3b200b3a2=(a1a4b1b4)(a3a2b2b3)

4. 范德蒙行列式

  • 直接用公式计算
    ∣ 1 1 . . . . 1 x 1 x 2 . . . x n x 1 2 x 2 2 . . . . . x n 2 . . . . . . . . . . . . . . x 1 n − 1 x 2 n − 1 . . . . . . x n n − 1 ∣ = ∏ 1 ≤ i < j ≤ n ( x j − x i ) \begin{vmatrix} 1&1&....&1\\ x_1&x_2&...&x_n\\ x_1^2&x_2^2&.....&x_n^2\\ ...&....&...&....\\ x_1^{n-1}&x_2^{n-1}&......&x_n^{n-1} \end{vmatrix}=\prod_{1\leq i1x1x12...x1n11x2x22....x2n1.....................1xnxn2....xnn1=1i<jn(xjxi)

理解: ∏ 1 ≤ i < j ≤ n ( x j − x i ) \prod_{1\leq i1i<jn(xjxi):高年级欺负低年级,并且所有的高年级都要欺负到所有的低年级

  1. 例题5:计算行列式: ∣ a b c a 2 b 2 c 2 b + c a + c a + b ∣ \begin{vmatrix} a&b&c\\ a^2&b^2&c^2\\ b+c&a+c&a+b \end{vmatrix} aa2b+cbb2a+ccc2a+b
    解:第一眼看题目应该会想到范德蒙行列式,但是没有全为1的一行,所以我们需要自己构造,将第一行加到第三行上去,并提出公因子(a+b+c)即能得到想要的结果:
    D n = ∣ a b c a 2 b 2 c 2 b + c a + c a + b ∣ = ( a + b + c ) ∣ a b c a 2 b 2 c 2 1 1 1 ∣ = ( − 1 ) ( − 1 ) ( a + b + c ) ∣ 1 1 1 a b c a 2 b 2 c 2 ∣ = ( a + b + c ) ( c − b ) ( c − a ) ( b − a ) D_n=\begin{vmatrix} a&b&c\\ a^2&b^2&c^2\\ b+c&a+c&a+b \end{vmatrix}=(a+b+c)\begin{vmatrix} a&b&c\\ a^2&b^2&c^2\\ 1&1&1 \end{vmatrix}\\=(-1)(-1)(a+b+c)\begin{vmatrix} 1&1&1\\ a&b&c\\ a^2&b^2&c^2\\ \end{vmatrix}=(a+b+c)(c-b)(c-a)(b-a) Dn=aa2b+cbb2a+ccc2a+b=(a+b+c)aa21bb21cc21=(1)(1)(a+b+c)1aa21bb21cc2=(a+b+c)(cb)(ca)(ba)

5. 数学归纳法和递推法

  • 当涉及n阶行列式时候,可以考虑用数学归纳法
  1. 例题6:计算 ∣ 2 − 1 0 . . . 0 0 − 1 2 − 1 . . . 0 0 0 − 1 2 . . . 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 0 0 . . . 2 − 1 0 0 0 . . . . . − 1 2 ∣ \begin{vmatrix} 2&-1&0&...&0&0\\ -1&2&-1&...&0&0\\ 0&-1&2&...&0&0\\ ...&...&...&....&....&....\\ 0&0&0&...&2&-1\\ 0&0&0&.....&-1&2 \end{vmatrix} 210...00121...00012...00.....................000....21000....12
    解:将Dn中的第2,3…n列加到第1列上去,并按照第1列展开:
    D n = ∣ 1 − 1 0 . . . 0 0 0 2 − 1 . . . 0 0 0 − 1 2 . . . 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 0 0 . . . 2 − 1 1 0 0 . . . . . − 1 2 ∣ = D n − 1 + 1 ( − 1 ) n + 1 ∣ − 1 0 . . . 0 0 − 2 − 1 . . . 0 0 − 1 2 . . . 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 0 . . . − 1 0 0 0 . . . 2 − 1 ∣ = D n − 1 + ( − 1 ) n + 1 ( − 1 ) n − 1 = D n − 1 + 1 D_n=\begin{vmatrix} 1&-1&0&...&0&0\\ 0&2&-1&...&0&0\\ 0&-1&2&...&0&0\\ ...&...&...&....&....&....\\ 0&0&0&...&2&-1\\ 1&0&0&.....&-1&2 \end{vmatrix}=D_{n-1}+1(-1)^{n+1}\begin{vmatrix} -1&0&...&0&0\\ -2&-1&...&0&0\\ -1&2&...&0&0\\ ...&...&....&....&....\\ 0&0&...&-1&0\\ 0&0&...&2&-1\\ \end{vmatrix}\\=D_{n-1}+(-1)^{n+1}(-1)^{n-1}\\=D_{n-1}+1 Dn=100...01121...00012...00.....................000....21000....12=Dn1+1(1)n+1121...00012...00...................000....12000....01=Dn1+(1)n+1(1)n1=Dn1+1
    根据递推关系式有 D n = D 1 + ( n − 1 ) = 2 + n − 1 = n + 1 D_n=D_1+(n-1)=2+n-1=n+1 Dn=D1+(n1)=2+n1=n+1

  2. 例题7,计算行列式: ∣ a 1 − 1 0 . . . . . 0 0 a 2 x − 1 . . . 0 0 a 3 0 x . . . . . 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a n − 1 0 0 . . . . . . x − 1 a n 0 0 . . . . . . . 0 x ∣ \begin{vmatrix} a_1&-1&0&.....&0&0\\ a_2&x&-1&...&0&0\\ a_3&0&x&.....&0&0\\ ...&....&...&......&.....&....\\ a_{n-1}&0&0&......&x&-1\\ a_n&0&0&.......&0&x \end{vmatrix} a1a2a3...an1an1x0....0001x...00................................000.....x0000....1x
    解:此题需要注意只能从最后一行展开,否则无法找出递推公式:
    D n = ( − 1 ) n + 1 a n ∣ − 1 0 . . . . . 0 0 x − 1 . . . 0 0 0 x . . . . . 0 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0 0 . . . . . . x − 1 ∣ + x ( − 1 ) n + n D n − 1 = a n + x D n − 1 D_n=(-1)^{n+1}a_n\begin{vmatrix} -1&0&.....&0&0\\ x&-1&...&0&0\\ 0&x&.....&0&0\\ ....&...&......&.....&....\\ 0&0&......&x&-1\\ \end{vmatrix}+x(-1)^{n+n}D_{n-1}\\=a_n+xD_{n-1} Dn=(1)n+1an1x0....001x...0.........................000.....x000....1+x(1)n+nDn1=an+xDn1
    由递推公式可得 D n = a n + a n − 1 x + a n − 2 x 2 + . . . . . . . + a 2 x n − 2 + a 1 x n − 1 D_n=a_n+a_{n-1}x+a_{n-2}x^2+.......+a_2x^{n-2}+a_1x^{n-1} Dn=an+an1x+an2x2+.......+a2xn2+a1xn1

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